基于ARM＋CPLD的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

唐立軍，桂 欣，賀慧勇，吳定祥，王 哲，李 芃

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.長(zhǎng)沙億旭機(jī)電科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

無刷直流電機(jī)（BLDCM）具有效率高、運(yùn)行可靠、調(diào)速性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍工、數(shù)控、醫(yī)療器械等領(lǐng)域.近年來，隨著高磁能積永磁材料的出現(xiàn)、全控型電力電子器件和微電子技術(shù)的發(fā)展以及控制方法的優(yōu)化，對(duì)無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器提出了更高的要求［1-2］.單片機(jī)控制系統(tǒng)、專用電機(jī)控制系統(tǒng)和DSP控制系統(tǒng)，在傳感器信號(hào)采樣到控制命令輸出之間存在較大延遲，影響驅(qū)動(dòng)效率，并且驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的安全性［3-4］.筆者以STM32F103為核心設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)驅(qū)動(dòng)效率的提高、系統(tǒng)在速度控制中動(dòng)態(tài)行為的改善及系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行探索，以提高無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的性能.

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.控制器為STM32F103，芯片內(nèi)部具有預(yù)裝載功能的高級(jí)PWM模塊、編碼器和霍爾傳感器接口、帶DMA功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等.外圍電路包括驅(qū)動(dòng)及其保護(hù)電路、隔離電路、檢測(cè)電路、控制器與PC通信的接口電路.系統(tǒng)用PC作為上位機(jī)，通過基于串口的Modbus協(xié)議進(jìn)行命令發(fā)送并實(shí)時(shí)監(jiān)控，以STM32F103作為控制器，CPLD進(jìn)行保護(hù)，IPM驅(qū)動(dòng)電機(jī).霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和定子電流，增量式光電編碼器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速.STM32不斷采集信息，修正上位機(jī)給出的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的速度閉環(huán)控制.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Figure 1 System hardware structure diagram

1.2 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)通過改變內(nèi)部三相繞組的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)定子繞組的正確換相，從而使電機(jī)正常運(yùn)行.傳統(tǒng)的電機(jī)控制器捕獲霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，在中斷事件里對(duì)捕獲的脈沖信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷處理，調(diào)整開關(guān)管的通斷，在規(guī)定時(shí)刻輸出需要的功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào).每次換相需要進(jìn)出中斷并且關(guān)閉輸出再啟動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)性能造成一定的影響.

STM32的定時(shí)器具有內(nèi)部級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和專用的預(yù)裝載寄存器.高級(jí)控制定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)時(shí)，可以用另一個(gè)通用定時(shí)器作為“接口定時(shí)器”來連接霍爾傳感器，3個(gè)定時(shí)器輸入腳通過一個(gè)異或門連接到“接口定時(shí)器”的1路輸入通道，“接口定時(shí)器”捕獲這個(gè)信號(hào)后，通過內(nèi)部級(jí)聯(lián)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使高級(jí)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)輸出換相，整個(gè)過程完全由硬件實(shí)現(xiàn)，延時(shí)只取決于芯片內(nèi)部的硬同步.預(yù)裝載寄存器使定時(shí)器具有該次換相同步裝入和下次換相預(yù)裝載的功能，在接到換相脈沖時(shí)，將該次需要輸出的端口配置同步裝入實(shí)際寄存器，然后響應(yīng)中斷，將下次的導(dǎo)通邏輯存入預(yù)裝載寄存器，換相過程無需關(guān)閉、輸出、再啟動(dòng)，很好地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的可靠性.

1.3 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及其保護(hù)電路多數(shù)由驅(qū)動(dòng)芯片加外圍故障檢測(cè)電路組成，使系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障發(fā)生時(shí)需要控制器響應(yīng)中斷再處理，系統(tǒng)延遲較大.該系統(tǒng)采用智能功率模塊（IPM）加CPLD的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的三相逆變及保護(hù)電路，如圖2所示.IPM內(nèi)藏有欠壓、過壓、過流和過熱等檢測(cè)電路，當(dāng)IPM產(chǎn)生故障輸出時(shí)，CPLD能在幾納秒內(nèi)做出反應(yīng)，通過制動(dòng)輸出鎖定IPM，保護(hù)模塊及電機(jī)，整個(gè)過程延遲極短且不需要控制器的參與，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性.同時(shí)，STM32檢測(cè)到故障信號(hào)，通過剎車機(jī)制迅速關(guān)閉PWM輸出，封存PWM配置狀態(tài)，直到故障解除重新使能輸出.此外，為防止控制器在譯碼換相時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，CPLD在接收PWM輸入信號(hào)后，增加了防止同一相上、下橋臂共同導(dǎo)通的邏輯電路，從而保護(hù)IPM.

圖2 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)Figure 2 IPM internal structure

1.4 電流采樣電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用LTS25-NP型霍爾傳感器來檢測(cè)反饋電流，得到電流瞬時(shí)值后，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變成0～3.6V的電壓信號(hào)，在STM32的模／數(shù)模塊中做標(biāo)量處理，將采樣值轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的數(shù)值保存至數(shù)值寄存器［5］.電流轉(zhuǎn)換電路如圖3所示.電流采樣值經(jīng)采樣電阻R6轉(zhuǎn)換為電壓，電阻比值R2／R1決定幅值調(diào)整的倍數(shù)，該電路將輸入電壓幅值增大2倍.電壓信號(hào)VREF＋＝3.6V，來自STM32的ADC模擬輸入?yún)⒖茧妷狠斎攵?電阻R3＝R4，當(dāng)檢測(cè)輸入信號(hào)為零時(shí)，檢測(cè)輸出為VREF＋的一半，即1.8V.作用是將負(fù)反饋過來的電壓值正向偏置1.8V.二極管D1，D2用來實(shí)現(xiàn)電壓限幅，使輸出電壓范圍在0～3.6V.電阻R2和電容C1實(shí)現(xiàn)硬件濾波.

圖3 電流采樣電路Figure 3 Current-sampling circuit

2 控制策略的實(shí)現(xiàn)

為了達(dá)到控制精度，獲得良好的穩(wěn)動(dòng)態(tài)特性，該系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制策略［6］.速度環(huán)增加系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)，保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤的性能.電流環(huán)提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運(yùn)行.速度環(huán)和電流環(huán)都采用比例積分（PI）控制，并且2個(gè)PI調(diào)節(jié)器均由軟件實(shí)現(xiàn)，靈活性強(qiáng)，精確度高.控制流程如圖4所示.

圖4 無刷直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)Figure 4 Double closed-loop control system of BLDCM

轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用增量式光電編碼［7］，STM32通過捕獲編碼器的輸出脈沖，獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速.為了實(shí)現(xiàn)高精度控制，將STM32的編碼器接口配置在最高分辨率處，定時(shí)讀取接口定時(shí)器的值，計(jì)算出轉(zhuǎn)速，此速度作為速度參考值的反饋量，經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)后得到電流參考值.電流值通過霍爾電流傳感器采樣經(jīng)調(diào)理后獲得，在捕獲電流值時(shí)，使能STM32的DMA能夠獲得更高的采樣效率.經(jīng)過多次AD采樣轉(zhuǎn)換后取平均，作為電流內(nèi)環(huán)的電流反饋量，經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)后，得到輸出量，調(diào)節(jié)輸出的PWM信號(hào)占空比，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速.在實(shí)際控制時(shí)，為避免轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過于頻繁導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩，設(shè)定通用定時(shí)器每20 ms中斷一次，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速.通過積分限幅與輸出限幅等策略，可有效地減少超調(diào)，為了使控制系統(tǒng)穩(wěn)定，在速度采樣偏差和電流采樣偏差均小于某設(shè)定閾值時(shí)，不進(jìn)行調(diào)節(jié)動(dòng)作，避免某些小的擾動(dòng)引起系統(tǒng)震蕩.

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序、換相捕獲中斷程序、AD采樣中斷程序、串口通信程序.主程序包括各種全局變量的定義、PWM控制、霍爾捕獲、AD采樣、串口、通用IO等模塊的初始化，并實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的Modbus協(xié)議通信.換相捕獲中斷程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)下步換相的PWM配置；AD采樣中斷程序主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流反饋值的采樣計(jì)算，調(diào)節(jié)PWM的輸出比；串口通信程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)的反饋，利用PC進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.軟件流程如圖5所示.

圖5 軟件流程Figure 5 Software flowchat

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證和分析驅(qū)動(dòng)器的性能，采用1臺(tái)額定功率為200W、額定電壓為24V、額定電流為5A、額定轉(zhuǎn)速為3 000r／min的無刷直流電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn).各項(xiàng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)通過串口回傳給上位機(jī)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制波形，上位機(jī)Modbus數(shù)據(jù)采集界面如圖6所示.圖7為空載條件下設(shè)定速度從3 000r／min經(jīng)過5次階躍變化又回到3 000r／min時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速隨設(shè)定轉(zhuǎn)速的變化曲線.從圖7中可以看出，在空載條件下，基本沒有超調(diào)，最大調(diào)節(jié)時(shí)間為0.4s，最大靜差為2%，電機(jī)轉(zhuǎn)速能平滑、快速地跟隨參考速度的變化.

圖8為參考速度為2 000r／min時(shí)負(fù)載改變的情況下實(shí)際轉(zhuǎn)速變化曲線.在1～2，3～4，5～6s分別加入50，100，200W的負(fù)載，從圖8中可以看出，轉(zhuǎn)速會(huì)有不同程度地下降，并很快過渡到穩(wěn)態(tài)值，卸掉負(fù)載后轉(zhuǎn)速又回到設(shè)定值.為了保證不發(fā)生震蕩，系統(tǒng)采用了積分限幅和輸出限幅，轉(zhuǎn)速的微小變化不能引起調(diào)節(jié)，所以在增加負(fù)載引起轉(zhuǎn)速變化時(shí)，沒有回復(fù)到設(shè)定值.

圖6 Modbus數(shù)據(jù)采集界面Figure 6 Modbus data collection interface

圖7 轉(zhuǎn)速變化實(shí)時(shí)波形Figure 7 Real-time change waveform of rotation speed

圖8 轉(zhuǎn)速為2 000r／min，負(fù)載變化時(shí)的波形Figure 8 Waveform of load changes when rotation speed is 2 000r／min

5 結(jié)語

筆者應(yīng)用STM32F103芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)基于速度、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用智能功率模塊（IPM）加CPLD的方式，充分利用了STM32F103片內(nèi)資源，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的硬件電路，大大節(jié)省了成本，提高了驅(qū)動(dòng)效率和可靠性.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該驅(qū)動(dòng)器具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能.

［1］張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］王晨陽(yáng)，張玘，熊九龍.基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（7）：6-7.

WANG Chen-yang，ZHANG Qi，XIONG Jiu-long.The design of BLDC motor control system based on the DSP［J］.Control ＆ Automation，2008，24（7）：6-7.

［3］謝方南，朱莉莉，劉俊純.基于MCF5213的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38（3）：23-27.

XIE Fang-nan，ZHU Li-li，LIU Jun-chun.Design of switched reluctance motor control system based on MCF5213［J］.Electric Machines ＆ Control Application，2011，38（3）：23-27.

［4］紀(jì)梁洲，楊向宇，龔晟.多功能無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的研制［J］.微電機(jī)，2011，44（4）：63-66.

JI Liang-zhou，YANG Xiang-yu，GONG Sheng.Research on multiple functions of brushless DC motor drive［J］.Micromotors，2011，44（4）：63-66.

［5］王海浪，毛弋，周有慶，等.檢測(cè)電阻電流型電子式電壓互感器［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（1）：91-96.

WANG Hai-lang，MAO Ge，ZHOU You-qing，et al.Resistance current detecting based electronic voltage transformer［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2010，25（1）：91-96.

［6］羅召成，朱世強(qiáng)，王會(huì)方.機(jī)器人自適應(yīng)PID飽和輸出反饋控制［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（3）：66-70.

LUO Zhao-cheng，ZHU Shi-qiang，WANG Hui-fang.A-daptive PID saturate output feedback control of robot manipulators［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2012，31（3）：66-70.

［7］楊孟，徐衛(wèi)明，肖林.增量式光柵編碼器在激光掃描雷達(dá)的應(yīng)用研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（3）：36-38.

YANG Meng，XU Wei-ming，XIAO Lin.Application research on incremental optical grating encoder in laser scanning radar［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2012，31（3）：36-38.